2019 Fiscal Year Research-status Report
Molecular dynamics simulations to elucidate the mechanism of the universal behavior of molecular assemblies observed in the processes of organic semiconductor thin film growth
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18K05253
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
池田 進 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (20401234)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 分子動力学シミュレーション / 薄膜 / 核形成 / 臨界核 / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機半導体薄膜成長過程の分子集団挙動には様々な分子に共通して見られる普遍的現象が多く、その基本原理を見抜くことができれば、高品質な有機半導体薄膜を作製するための汎用的指針を得ることが可能になると考えられる。本研究では、分子動力学（MD）シミュレーションによって有機半導体薄膜成長のメカニズムを分子レベルで解明することを目的とし、初年度であった昨年度（2018年度）は、MDシミュレーションの計算環境（ハードウエアとソフトウエア）を整備して、特に、基板表面上で分子が寝る、立つ、という現象をMDシミュレーションで取り扱う手法の確立に努めた。その結果、現有の計算環境で取り扱い可能な系の大きさや時間スケールの範囲内においては、寝ている分子が立つ瞬間を見るのではなく、最初から立っている分子が複数集合した分子クラスターの安定性を調べるほうが有効であることがわかり、本年度(2019年度）は、その方針に基づいて多数のシミュレーションを実行し、ペンタセン分子が集合して核形成する際の臨界核に関する知見を得ることができた。具体的には、ペンタセンのクラスターは10分子を超えると基板表面上で立った状態でも安定的に存在できることがわかり、その分子クラスターが周囲の分子を取り込んで更に成長する様子もシミュレートすることに成功した。有機半導体の核形成や臨界核の大きさに関しては、これまでも実験的、理論的な研究がなされてきたが、今回のMDシミュレーションの結果はそれらとも調和的であり、分子１個１個の動きを、現実に近い状態で可視化することに成功できている可能性が高い。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の初年度である2018年度に、「基板表面上で分子が立つ」という普遍的な現象をMDシミュレーションで解析するための方法論を確立し、2019年度は、その方法論（すなわち、寝ている分子が立つ瞬間を見るのではなく、最初から立っている分子が複数集合した分子クラスターの安定性を調べる）に基づいて多数のシミュレーションを実行し、ペンタセン分子が核形成する際の臨界核に関する知見を得ることができた。この成果は、応用物理学会が英国IOPscienceに委託して出版している速報誌Applied Physics Expressに掲載され、高く評価されたといえる。したがって、進捗状況としては、「おおむね順調に進展している」と判断するのが適当である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度には、（最初から）立った分子からなる分子クラスターの安定性をMDシミュレーションで調べることによりペンタセンの核形成に関する理解を深めることができた。しかし、孤立分子は明らかに基板表面の原子との相互作用によって寝ているほうが安定であり、分子の基板上への堆積が進行するどこかの段階で、寝た分子が立つ瞬間というものがあるはずである。現有のMDシミュレーションシステムで取り扱うことが可能な空間スケールと時間スケールでは、そのような瞬間を見ることは確率的に難しいとも予想されるが、この現象を追究するための方法論を、2020年度中に見出し、その次の研究につなげたい。
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| Causes of Carryover |
2019年度中に実施を計画していた研究自体は年度内に遂行・完了できたが、３月に成果発表を予定していた応用物理学会が新型コロナウイルスの影響で中止となり、学会参加のための国内出張が一つ取消となったため、その分の予算が未使用となった。発表予定であった成果に関しては、繰り越した予算を使用して次年度に学会に参加するなどして発表の機会を作りたい。
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